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摘 要：有覆土的消防车荷载一般设计时都是按《建筑照荷载规范》来取值，导致很大的浪费，也没有这个必要。本文通过大型通用软件ANSYS对该结构进行建立空间有限元模型，通过规范公式手算其等效荷载，最后算出的挠度和ANSYS计算相吻合，对于地下室顶板的设计荷载，可以按照规范的公式计算等效荷载取值。
关键词 消防车荷载，等效，ANSYS ，扩散角
1 引言
设计过许多带有覆土的消防车道的大型地下室建筑，对于消防车荷载的争论一直存在，根据《建筑结构荷载规范》（2006年版）[1]的4.1.1条：单向板（板跨不小于2m）的活荷载取值35kN/m2、对于双向板（板跨不小于6m×6m的）的活荷载取值20kN/m2。这个取值显然是偏于安全的，设计的地下室顶板的含钢量十分可观。必会造成很大的浪费。其注1给出：“本表所给各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载较大或情况特殊时，应按实际情况采用。注3给出：“消防车活荷载是适用于满载总重为300kN的大型车辆：当不符合本表的要求时，应将车轮的局部荷载按结构效应的等效原则，换算为等效均布荷载”。而规范第4.1.3条：“楼面结构上的局部荷载可按附录B 的规定，换算为等效均布活荷载。”
设计师设计车道荷载时，一部分设计师按照规范设计，取值偏大；一部分按照经验取值10kN/ m2、16 kN/ m2、20 kN/ m2；这两种取值都不适合经济合理的设计要求。
2 消防车布置
根据建筑的布置方式，现代城市中的建筑的间距有限，随着私家车拥有量上升，平时车子的停放会占用很大的道路空间，等真正发生火宅时，消防车能走的也就是一个消防车道，建筑设计时如果能用鲜艳颜色瓷砖标出消防车道，结构设计就可以针对此区域布置消防车荷载，将也能增加将建筑的经济性；消防车等效均布荷载取值从理论上本应该考虑到多台消防车并排时的情况。而从实际消防现场看，消防车基本上是呈“一”字形纵向排列，侧面对着火灾现场，很难看到消防车横向排列，一般居住小区的道路也比较狭窄，两辆消防车的横向排列几乎不可能；纵向也不会出现车尾连车尾的情况。另外，消防车的四周需要一定的操作空间，当一辆车的中、后轮布置于板跨的最不利位置时，另一辆车的前轮基本上已在其它板上或是对等效荷载的取值影响微乎其微了。因此，地下室顶板消防车道的荷载，可仅考虑一辆300kN的消防车。
国内外各规范对轮压扩散角在沥青和混凝土中基本上按 角取值。但是，值得注意的是设计人员对轮压在覆土中的扩散角取值比较混乱。《地下管道计算》中记载到“扩散角 取值，各国根据其使用经验，取用如下： 日本 = ；美国波士顿规范 = 。我国也有设计单位采用H≤0．5m时， = ，0.5m 3 计算板等效荷载
根据《建筑就结构荷载规范》(GB5009-2001)附录B，采用简化板受力模型，将消防车荷载直接作用在覆土上，通过土的扩散作用，最后力传至结构地下室顶板。
图1 消防车荷载平面布置图及剖面图
按照L=4m。车道覆土300mm，根据《荷载规范》附录B：
满足
由上图可知，两轮间间距为1.8m，小于0.5b=1.95m，此时荷载有效宽度予以折减，折减后的宽带b’应为b’=1.8/2+3.884/2=2.842m
计算简支单向板的绝对最大弯矩Mmax
根据上面的分析可知：在分布范围内仅考虑P1和P2两个轮压的局部荷载，不考虑相邻部分传来的板荷：
图2 消防车荷载受力简图
取1m宽的板作为计算单元，荷载分布图如P1受力图、P2受力图，则：
（1）P1=60kN扩散后作用在板跨中产生的弯矩：
（2）P2=60kN扩散后作用在板跨中产生的弯矩：
跨中弯矩M=
（3）计算等效均布活载qe：
同理当行车方向与板跨方向垂直，即局部荷载作用面的长边与板跨平行时，得到
300mm覆土，4m板跨算出来的等效均布活载qe=13.464kN/m2，比起规范的取值35kN/m2合理很多，当然按照规范来取值是绝对安全，节约是工程师必须考虑的事情。至于其余情况的计算，此处省略，可以参考《北京市建筑设计技术细则》（结构专业）199页附录。
按照对应荷载qe=13.464kN/m2，查看静力计算手册，算个板挠度为f=2.48mm。.
4 ANSYS模擬
本文利用ANSYS，按照实际模型来计算,用solid65来模拟结构板的混凝土部分，利用solid45来模拟结构覆土，利用pipe20来模拟板钢筋，采用自下而上的建模方式，先建立的节点，直接精确控制网格，用ANSYS建立模型如图3。
图 3 结构模型图
根据ANSYS的分析，在自重和外荷载作用下Y向的位移图符合实际情况，靠近消防车轮压处位移大，根据图4~图5可以看出，钢筋和板以及土体的受力协调好，土体的变形大,结构最大挠度f=1.26mm，跟手算结果相近，说明手算等效荷载是合理的。图6~图8可以看出，钢筋和板的应力规律一致，但是土体的应力集中在车轮下方。图9为模型的第二主应力图，可以看出主要压应力支座处和四个车轮形成区域，这跟实际也是相符合的；图10可以得出第3主应力最不利位置还是在车轮附近，但是图11可以看出，应变最大值发生在支座处。应力和应变都处在合理范围内。
5 结论
通过用ANSYS的模拟结果和手算结果对比，通过挠度的比较，《建筑结构荷载规范》的计算等效荷载方法是可行的，对于消防车荷载的计算是可以实际应用的。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词 消防车荷载，等效，ANSYS ，扩散角
1 引言
设计过许多带有覆土的消防车道的大型地下室建筑，对于消防车荷载的争论一直存在，根据《建筑结构荷载规范》（2006年版）[1]的4.1.1条：单向板（板跨不小于2m）的活荷载取值35kN/m2、对于双向板（板跨不小于6m×6m的）的活荷载取值20kN/m2。这个取值显然是偏于安全的，设计的地下室顶板的含钢量十分可观。必会造成很大的浪费。其注1给出：“本表所给各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载较大或情况特殊时，应按实际情况采用。注3给出：“消防车活荷载是适用于满载总重为300kN的大型车辆：当不符合本表的要求时，应将车轮的局部荷载按结构效应的等效原则，换算为等效均布荷载”。而规范第4.1.3条：“楼面结构上的局部荷载可按附录B 的规定，换算为等效均布活荷载。”
设计师设计车道荷载时，一部分设计师按照规范设计，取值偏大；一部分按照经验取值10kN/ m2、16 kN/ m2、20 kN/ m2；这两种取值都不适合经济合理的设计要求。
2 消防车布置
根据建筑的布置方式，现代城市中的建筑的间距有限，随着私家车拥有量上升，平时车子的停放会占用很大的道路空间，等真正发生火宅时，消防车能走的也就是一个消防车道，建筑设计时如果能用鲜艳颜色瓷砖标出消防车道，结构设计就可以针对此区域布置消防车荷载，将也能增加将建筑的经济性；消防车等效均布荷载取值从理论上本应该考虑到多台消防车并排时的情况。而从实际消防现场看，消防车基本上是呈“一”字形纵向排列，侧面对着火灾现场，很难看到消防车横向排列，一般居住小区的道路也比较狭窄，两辆消防车的横向排列几乎不可能；纵向也不会出现车尾连车尾的情况。另外，消防车的四周需要一定的操作空间，当一辆车的中、后轮布置于板跨的最不利位置时，另一辆车的前轮基本上已在其它板上或是对等效荷载的取值影响微乎其微了。因此，地下室顶板消防车道的荷载，可仅考虑一辆300kN的消防车。
国内外各规范对轮压扩散角在沥青和混凝土中基本上按 角取值。但是，值得注意的是设计人员对轮压在覆土中的扩散角取值比较混乱。《地下管道计算》中记载到“扩散角 取值，各国根据其使用经验，取用如下： 日本 = ；美国波士顿规范 = 。我国也有设计单位采用H≤0．5m时， = ，0.5m
根据《建筑就结构荷载规范》(GB5009-2001)附录B，采用简化板受力模型，将消防车荷载直接作用在覆土上，通过土的扩散作用，最后力传至结构地下室顶板。
图1 消防车荷载平面布置图及剖面图
按照L=4m。车道覆土300mm，根据《荷载规范》附录B：
满足
由上图可知，两轮间间距为1.8m，小于0.5b=1.95m，此时荷载有效宽度予以折减，折减后的宽带b’应为b’=1.8/2+3.884/2=2.842m
计算简支单向板的绝对最大弯矩Mmax
根据上面的分析可知：在分布范围内仅考虑P1和P2两个轮压的局部荷载，不考虑相邻部分传来的板荷：
图2 消防车荷载受力简图
取1m宽的板作为计算单元，荷载分布图如P1受力图、P2受力图，则：
（1）P1=60kN扩散后作用在板跨中产生的弯矩：
（2）P2=60kN扩散后作用在板跨中产生的弯矩：
跨中弯矩M=
（3）计算等效均布活载qe：
同理当行车方向与板跨方向垂直，即局部荷载作用面的长边与板跨平行时，得到
300mm覆土，4m板跨算出来的等效均布活载qe=13.464kN/m2，比起规范的取值35kN/m2合理很多，当然按照规范来取值是绝对安全，节约是工程师必须考虑的事情。至于其余情况的计算，此处省略，可以参考《北京市建筑设计技术细则》（结构专业）199页附录。
按照对应荷载qe=13.464kN/m2，查看静力计算手册，算个板挠度为f=2.48mm。.
4 ANSYS模擬
本文利用ANSYS，按照实际模型来计算,用solid65来模拟结构板的混凝土部分，利用solid45来模拟结构覆土，利用pipe20来模拟板钢筋，采用自下而上的建模方式，先建立的节点，直接精确控制网格，用ANSYS建立模型如图3。
图 3 结构模型图
根据ANSYS的分析，在自重和外荷载作用下Y向的位移图符合实际情况，靠近消防车轮压处位移大，根据图4~图5可以看出，钢筋和板以及土体的受力协调好，土体的变形大,结构最大挠度f=1.26mm，跟手算结果相近，说明手算等效荷载是合理的。图6~图8可以看出，钢筋和板的应力规律一致，但是土体的应力集中在车轮下方。图9为模型的第二主应力图，可以看出主要压应力支座处和四个车轮形成区域，这跟实际也是相符合的；图10可以得出第3主应力最不利位置还是在车轮附近，但是图11可以看出，应变最大值发生在支座处。应力和应变都处在合理范围内。
5 结论
通过用ANSYS的模拟结果和手算结果对比，通过挠度的比较，《建筑结构荷载规范》的计算等效荷载方法是可行的，对于消防车荷载的计算是可以实际应用的。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。